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1、燃氣熱泵系統在學校建筑上的應用分析天津城市建設學院王晶 呂建 香港理工大學楊洪興 海南元正建筑設計咨詢有限公司天津分公司 解群 文摘：探討了燃氣機熱泵在一次能源利用率、變負荷特性、環境保護方面的技術特性。結合工程實例，采用層次分析法對燃氣機熱泵、電驅動熱泵、空調器+燃煤鍋爐在學校建筑的適用性上進行了評價，結果燃氣機熱泵的適用性最佳。關鍵詞：燃氣熱泵；學校；技術性；層次分析法 The Application and Analysis of Gas engine-driven heat pump systemin the school buildingTianjin Institute of Ur2、ban Construction Wang Jing lv Jian The Hong Kong Polytechnic University Yang HongxingHan Nan Yuan Zheng Architectural Design Co., Ltd,Tianjin BranchAbstract: Discussing the energy efficiency, variable load characteristics, environmental protection, technical characteristics about a gas engine-driven3、 heat pump .With the practical examples, using the AHP to evaluate the gas engine-driven heat pump, electric-driven heat pumps, air conditioners + coal-fired boiler which are used in the school building,as a result the gas engine-driven heat pump is the best.Key words: gas engine-driven heat pump; s4、chools; technical; AHP;1引言燃氣熱泵系統是由兩個系統組成:(1)燃氣發動機系統，（2）熱泵系統，它包括了壓縮機、冷凝器、膨脹閥和蒸發器，系統原理圖見圖1。和一般的電熱泵系統的不同之處是多了一套發動機系統，并且該系統可以回收利用尾氣熱量和發動機缸套釋放的廢熱，其中余熱利用率可達80%左右。余熱利用一般有兩種方式：（1）直接傳遞給空氣或水，然后加熱的空氣或水被用于冬季的制熱過程。（2）熱量被傳遞給水，用來制備熱水。從以往所做的燃氣熱泵系統的研究中發現，以天然氣作為燃料的燃氣熱泵系統，不僅具有環保的特點，而且由于耗電量極少，可以極大的節省電能，減輕夏季用電負擔，同時它也比電動5、熱泵空調具有更高的效率。只是對燃氣熱泵系統的分析很少涉足學校類建筑，對這一群體使用該系統的研究和分析幾乎沒有。本文主要是通過實例來分析燃氣熱泵系統在學校類建筑上應用的可行性，利用層次分析法綜合考慮了技術、經濟和環境等方面的因素，來與其他三種冷熱源形式作出比較，結果發現燃氣熱泵系統是較適合用于學校類建筑上的冷熱源設備。2燃氣熱泵系統的技術特點2.1一次能源利用率（PER）一般人們用COP值進行性能比較，在比較中燃氣熱泵系統回收的余熱沒有考慮進去，使得其COP值比較低，而余熱回收利用恰好是燃氣熱泵在冬季利用的最大優勢。一次能源利用率把該部分熱量考慮了進去，可以更好地反映出它的效率。其定義式為：PE6、R=系統制熱時消耗的能量/系統的一次能源消耗量在不同的系統中，PER的計算公式如下【1】【2】：燃氣熱泵系統 PER= 電熱泵系統 PER=燃煤鍋爐 PER=直燃機溴化鋰吸收式熱泵 PER=式中：燃氣熱泵的效率；余熱回收率；電廠的發電效率；燃煤鍋爐的效率；直燃機溴化鋰吸收式熱泵的熱效率；為了清楚的比較，假定電廠的發電效率為33%，燃煤鍋爐的效率為 80%，電熱泵的為 3.6，燃氣熱泵的（余熱回收率）、和分別為 0.8、3.6、32%，直燃機溴化鋰吸收式熱泵的為 90%。通過計算后得出：表1 各系統的一次能源利用率比較系統形式一次能源利用率燃氣熱泵系統1.69電熱泵系統1.18燃煤鍋爐0.8直燃7、機溴化鋰吸收式熱泵0.9從表中可以看出燃氣熱泵系統的一次能源利用率是最高的。它的PER值是電熱泵的1.43倍，燃煤鍋爐的2.11倍，直燃機的1.88倍。2.2變負荷特性在學校類建筑中，學校為了學生的發展，一般會安排很多專業教室，比如說書法類教室、美術類教室等，這些教室在空調負荷計算時仍然要考慮進去，但是這些教室的利用率并不高，很多時候是不用的，從而教學樓的空調系統實際上經常在部分負荷條件下運行。燃氣熱泵系統可以通過改變發動機的轉速來適應系統的負荷變化，實現無級調速，并且隨著發動機轉速的降低，燃氣熱泵系統的COP值和一次能源利用率均會上升，擁有良好的部分負荷性能。而且從文獻2的研究中也可以知道相8、比其他熱泵系統，燃氣熱泵擁有更高的IPLVcop，（部分負荷特性能值 ），部分負荷性能好，可以更好的實現變負荷運行。2.3環境保護方面燃氣熱泵系統對環境的危害很小。因為天然氣是一次能源，其雜質含量極少，和石油、煤相比，造成的污染是最小的，是礦物燃料中最清潔的能源3。以煤的污染物排放量作為基準，把石油、天然氣和煤進行比較，從表2中看出天然氣對環境的污染程度是最小的。（見表2）表2 不同燃料排放污染物的比較【4】燃料SOxNOxCO2煤100%100%100%石油70%70%80%天然氣020%40%60%3應用性分析3.1工程概況該項目為建筑面積6000的某學校的教學樓，其建筑總冷負荷為480K9、W，建筑總熱負荷為400KW。利用燃氣熱泵系統來制熱制冷。由于該建筑是學校類建筑，一個主要特點是最冷月和最熱月均處于放假期間，運行費用上相比其他類建筑要少很多，并且由于該學校本身就擁有了燃氣輸送管道，使得燃氣熱泵系統在初投資上減少一些。該工程在室外安裝了6臺室外機組，其額定最大制冷能力均為84kw，額定最大制熱能力均為95kw。，室內機組共計182臺。具體的設備配置見表3。表3設備配置設備型號臺數備注CNZP840H16室外機CBNP28FSNQ158室內機CBNP40FSNQ19CDNP45FSNQH5把燃氣熱泵系統和三種常用的供熱制冷系統，即電熱泵系統、電空調+鍋爐供暖系統、直燃機溴化鋰吸10、收式熱泵進行比較，得到各個系統在單位面積上的初投資和運行費用。（見表4）表4各個系統單位面積的初投資和運行費得比較單位面積初投資（元/）單位面積運行費用（元/a）燃氣熱泵系統52222電空調+鍋爐供暖系統459.415.5直燃機溴化鋰系統483.341.5電熱泵系統468.8263.2層次分析法層次分析法是可用于處理復雜的社會、政治、經濟、技術等方面的決策問題的多目標決策方法。它的主要思路是：根據問題的性質和要求達到的總目標，把問題按層次進行分解，分成相互聯系的有序思路，然后按照問題的結構層次從上而下逐層確定同層次上各元素的相對重要性權重。該方法可將人的主觀判斷用數量形式表達出來，可用矩陣一致11、性條件來檢驗人們對某個問題的判斷前后是否矛盾，該方法具有堅實的理論基礎【5】。本文利用層次分析方法和相關軟件，以初投資、運行費用、能源效率和環境影響四個元素來比較燃氣熱泵系統、電熱泵系統、電空調+鍋爐供暖系統、溴化鋰吸收式熱泵，比較他們的各自權重，得出學校類建筑較適合的冷熱源方案。3.3計算過程和結果運用層次分析法來分析系統時，可按以下四個步驟進行：（1） 分析系統中個因素之間的關系，建立系統的遞階層次結構（2） 多同一層次的各元素關于上一層中某一準則的重要性進行兩兩比較，構造兩兩比較的判斷矩陣。（3） 由判斷矩陣計算被比較元素對于該準則的相對權重。（4） 計算各層元素對系統目標的合成權重，并12、進行總排序。其中在構造判斷矩陣時，可以根據本層各個因素對上層某個因素的影響程度的大小，根據一定的比率標度，將這種判斷結果定量化，形成了判斷矩陣。一般采用19比率標度方法。表5給出了各個標度及其含義。表5 判斷矩陣的標度及其含義【5】標度標度的含義1表示兩個因素相比，具有同等重要3表示兩個因素相比，一個因素比另一個因素稍微重要5表示兩個因素相比，一個因素比另一個因素明顯重要7表示兩個因素相比，一個因素比另一個因素強烈重要9表示兩個因素相比，一個因素比另一個因素極端重要2，46，8上述兩相鄰判斷值的中間值倒數因素i與j比較的判斷值為，因素j與i比較值根據該表格構造出判斷矩陣，然后對判斷矩陣進行進行13、檢驗，看其是否滿足一致性。即隨機一致性CR小于0.1時，該矩陣具有滿意的一致性，否則就要調整矩陣，使之達到滿意的一致性。本文根據上述的比例標度構造了判斷矩陣，然后利用層次分析法的軟件，得到以下結果（見表610）：表6 相對于目標層（學校的空調系統），各個因素兩兩比較后的判斷矩陣及其權重 判斷矩陣一致性比例：0.0039; 對總目標的權重：1.0000學校的空調系統初投資運行費用能源效率環境影響Wi初投資1.00003.00001.00002.00000.3512運行費用0.33331.00000.33330.50000.1089能源效率1.00003.00001.00002.00000.35114、2環境影響0.50002.00000.50001.00000.1887表7各個系統相對于初投資比較后的判斷矩陣及其權重判斷矩陣一致性比例：0.0439; 對總目標的權重：0.3512初投資系統電熱泵電空調鍋爐系統直燃機溴化鋰Wi系統1.00000.50000.25000.33330.0988電熱泵2.00001.00000.50002.00000.2601電空調鍋爐系統4.00002.00001.00002.00000.4375直燃機溴化鋰3.00000.50000.50001.00000.2036表8 各個系統相對于運行費用比較后的判斷矩陣及其權重 判斷矩陣一致性比例：0.0246; 對總目15、標的權重：0.1089運行費用系統電熱泵電空調鍋爐系統直燃機溴化鋰Wi系統1.00002.00000.50005.00000.2984電熱泵0.50001.00000.50004.00000.1996電空調鍋爐系統2.00002.00001.00006.00000.4417直燃機溴化鋰0.20000.25000.16671.00000.0603表9 各個系統相對于能源效率比較后的判斷矩陣及其權重 判斷矩陣一致性比例：0.0191; 對總目標的權重：0.3512能源效率系統電熱泵電空調鍋爐系統直燃機溴化鋰Wi系統1.00002.00005.00003.00000.4723電熱泵0.50001.016、0004.00002.00000.2854電空調鍋爐系統0.20000.25001.00000.33330.0725直燃機溴化鋰0.33330.50003.00001.00000.1697表10 各個系統相對于環境影響比較后的判斷矩陣及其權重 判斷矩陣一致性比例：0.0016; 對總目標的權重：0.1887環境影響系統電熱泵電空調鍋爐系統溴化鋰吸收式Wi系統1.00002.00006.00001.00000.3802電熱泵0.50001.00003.00000.50000.1901電空調鍋爐系統0.16670.33331.00000.20000.0663直燃機溴化鋰1.00002.00005.17、00001.00000.3633結合以上結果，所得到的最終結果從表中11可以看出，在考慮了初投資、運行費用、能源效率和環境影響之后，燃氣熱泵相對于其他三種系統是更適合的。表11 系統比較的最終結果備選方案權重燃氣熱泵系統0.3048電熱泵系統0.2492電空調+鍋爐系統0.2397直燃式溴化鋰吸收式熱泵0.20625結論以上分析表明，燃氣熱泵系統與其他三種冷熱源形式進行比較具有以下特點： 燃氣熱泵的COP值雖然不是很高，但是在考慮了余熱回收利用后的PER值則明顯高于其他的制冷制熱系統，從性能上來說是要優越于其他形式。 燃氣熱泵系統對環境的危害是最小的。雖然電熱泵用的是電，似乎并沒有對環境造成多18、大影響，但是電廠在用煤發電時所排放的硫化物、氮化物和二氧化碳卻對環境有極大的危害。 通過層次分析法的分析，可以看出燃氣熱泵系統總體上是最有優勢的。雖然它的初投資相比其他系統要高，但是綜合考慮，它相對于其他幾種系統，尤其是對擁有燃氣管道的學校類建筑，是較適用的。參考文獻：【1】孫志高，郭開華，王如竹，燃氣發動機熱泵及性能分析，制冷，2006，6，25（2）：30-33.【2】Yang Zhao，Zhao Haibo，Wu Zhiguang，Technical and economic analysia of gas-engine driven heat pump in China,Interna19、tional Journal of Global Energy Issues,2003,3(20):223-232 【3】 馬一太，謝英柏，楊昭，張世剛，燃氣機熱泵變負荷和特性的實驗研究，熱科學與技術，2003，9，2（3）：199-203.【4】催民選，2007中國能源發展報告，補充出版社所在城市名：北京，社會科學文獻出版社，2007.3【5】張蕊, 涂光備,曹國慶，燃氣直燃機冷熱源的經濟性分析，煤氣與熱力，2005，11，25（11）。【6】何亞伯，張海濤，楊海紅，工程經濟學，補充出版社所在城市名：北京，機械工業出版社，2008，1.作者簡介：王晶(1985- )，女，回族，湖北鐘祥人，在讀研究生，研究方向為可再生能源應用。E-mail:wangjing20033309聯系電話：1502008457通信地址：天津市西青區津靜公路26號天津城市建設學院08暖通研郵編：300384